嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

1、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā) 第1章 概述 第2章 ARM及其編程模型 第3章 ARM指令集 第4章 嵌入式程序設(shè)計 第5章 C/OS-實時操作系統(tǒng) 第6章 嵌入式最小系統(tǒng)設(shè)計 第7章 部件工作原理與開發(fā)實例 第8章 基于C/OS-的程序設(shè)計 第9章 ARM嵌入式開發(fā)工具 第10章 ARM9處理器嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)第1章 概述本章提要 1.1 嵌入式系統(tǒng) 1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成 1.3 嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 1.4 嵌入式處理器 1.5 嵌入式操作系統(tǒng) 1.6 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)1.1 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的定義一般定義： 以應(yīng)用為中心，計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可剪，以適應(yīng)應(yīng)

2、用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。本質(zhì)定義： 嵌入到對象體系中的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史 1976年，Intel 公司推出了MCS-48單片機，只有1KB ROM和64KB RAM。 1980年，Intel 公司對MCS-48單片機進行了全面完善，推出了8位MCS-51單片機。 1984年，Intel 公司又推出了16位8096系列并將其稱之為嵌入式微控制器。 此外，為了高速、實時地處理數(shù)字信號，1982年誕生了首枚數(shù)字信號處理芯片DSP。 20世紀90年代后，伴隨著網(wǎng)絡(luò)時代的來臨，網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體技術(shù)得以發(fā)展，基于硬件底層的單線程程序的單片機已經(jīng)

3、很難滿足這些領(lǐng)域的要求。32位微處理器面向嵌入式系統(tǒng)的高端應(yīng)用，由于速度快、資源豐富、本身的復(fù)雜性、可靠性等，得到了廣泛的需求。嵌入式計算機系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)l嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的，應(yīng)用的多樣性決定了硬件平臺的多樣性。l大多嵌入式系統(tǒng)都有實時性要求，在高端應(yīng)用中，為滿足應(yīng)用需求、增強可靠性和便于開發(fā)，往往要有實時多任務(wù)操作系統(tǒng)的支持。l嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。l功耗、成本和可靠性對嵌入式系統(tǒng)有特別重要的意義。嵌入式計算機系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)l嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機的結(jié)合在一起，它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進行的，因

4、此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品進入市場后具有較長的生命周期。l嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力，即使設(shè)計完成以后，用戶通常也不能對其中的程序功能進行修改，必須有一套交叉開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。l嵌入式系統(tǒng)工業(yè)是不可壟斷的高度分散的工業(yè)，充滿了競爭、機遇與創(chuàng)新，是一個可以大有作為的行業(yè)。1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成硬件 處理器/微處理器、存儲器、 I/O接口及輸入/輸出設(shè)備軟件 嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)處理器處理器存儲器存儲器輸入輸入輸出輸出操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)應(yīng)用程序應(yīng)用程序軟件軟件結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)硬件硬件結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的硬件組成電源模塊電源模塊時鐘模塊時鐘模塊復(fù)位復(fù)位外圍電路外圍電路微處理器微處理

5、器MPUFlashRAMROM 外設(shè)外設(shè)USBLCD鍵盤鍵盤其他其他嵌入式系統(tǒng)的軟件組成 1.嵌入式操作系統(tǒng) 2.嵌入式應(yīng)用軟件 3.硬件抽象層HAL 4.板級支持包BSP 5.設(shè)備驅(qū)動程序 6.操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口函數(shù)API嵌入式軟件的主要特點l軟件要求固化存儲。l軟件代碼要求高質(zhì)量、高可靠性。l系統(tǒng)軟件（OS）的高實時性是基本要求。l嵌入式系統(tǒng)軟件需求實時多任務(wù)操作系統(tǒng)開發(fā)平臺（RTOS）。l在嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)過程中，采用C語言將是最佳的選擇。1.3 嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式應(yīng)用嵌入式應(yīng)用信息家電信息家電智能玩具智能玩具軍事電子軍事電子通信設(shè)備通信設(shè)備移動存貯移動存貯工控設(shè)備工

6、控設(shè)備智能儀表智能儀表汽車電子汽車電子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備消費電子消費電子軍事國防軍事國防電子商務(wù)電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制工業(yè)控制其其他他嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 PDA 可視電話可視電話 機器人機器人 SONY機器狗機器狗 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式技術(shù)在電子通訊中的應(yīng)用手機、小靈通、智能手機、手機、小靈通、智能手機、3C3C合一合一信息家電的應(yīng)用信息家電數(shù)字機頂盒信息家電消費電子SAN公司的信息家電產(chǎn)品 嵌入式技術(shù)在汽車電子中的應(yīng)用VOLVO S80汽車的CAN總線網(wǎng)絡(luò)（1818個嵌入式控制模塊）個嵌入式控制模塊） CAN CAN總線網(wǎng)絡(luò)總線網(wǎng)絡(luò)阿富汗參加反恐作戰(zhàn)的阿富汗參加反恐作戰(zhàn)的“赫耳墨赫耳

7、墨斯斯”價值價值4 4萬美元，可攜帶萬美元，可攜帶2 2架攝架攝像機，發(fā)揮了很好作用。像機，發(fā)揮了很好作用。嵌入式技術(shù)在軍事方面的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)高性能武器平臺的基礎(chǔ)嵌入式Internet應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)與機器人技術(shù)圖：卡耐基梅隆大學(xué)和瑞士圖：卡耐基梅隆大學(xué)和瑞士EPFLEPFL研制的機器人控制器研制的機器人控制器 （采用卡西歐（采用卡西歐PDAPDA和和Windows CEWindows CE） 智能機器人基于Win CE的移動機器人平臺基于Win CE的機器人裝配平臺基于RTLinux的仿人機器人高高 48 cm48 cm重重: 6 kg: 6 kg靈活性：靈活性：20 DOF20 DOF操作

8、系統(tǒng)操作系統(tǒng): RT-Linux: RT-Linux接口形式接口形式: USB 1.0 (12Mbps): USB 1.0 (12Mbps)響應(yīng)周期響應(yīng)周期: 1ms: 1ms能源：能源： DC24V x 6.2A (150W)DC24V x 6.2A (150W)制造：富士通制造：富士通 基于VXworks的火星探路者2004年“勇氣號”再次登陸火星1.4 嵌入式處理器 嵌入式處理器分類：嵌入式嵌入式 處理器處理器嵌入式微處理器嵌入式微處理器MPU嵌入式微處理嵌入式微處理MCU嵌入式數(shù)字信號嵌入式數(shù)字信號 處理器處理器EDSP嵌入式片上系統(tǒng)嵌入式片上系統(tǒng)SoC嵌入式處理器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.3

9、2位處理器在興起2.處理器IP（知識產(chǎn)權(quán)）3.可編程處理器1.5 嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)分類l面向控制、通信等領(lǐng)域的實習(xí)操作系統(tǒng) WindRiver公司的VxWorks、ATI的Nucleus、QNX系統(tǒng)軟件公司的QNX、ISI的pSOS等l面向消費電子產(chǎn)品的非實時操作系統(tǒng) WinCE、Linux等實時操作系統(tǒng) 實時系統(tǒng)的兩種類型 硬件實時系統(tǒng)和軟件實時系統(tǒng) 在實時多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負責(zé)管理各個任 務(wù)，或者說為每個任務(wù)分配CPU時間，并且負責(zé)任務(wù)之間的通信。 基于優(yōu)先級的內(nèi)核的2種類型 不可剝奪型的和可剝奪型內(nèi)核不可剝奪型內(nèi)核（非占先式 Non-Preemptive)低優(yōu)先級任務(wù)低優(yōu)先級

10、任務(wù)ISR高優(yōu)先級任務(wù)高優(yōu)先級任務(wù)（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）中斷服務(wù)程序使中斷服務(wù)程序使高優(yōu)先級任務(wù)就緒高優(yōu)先級任務(wù)就緒低優(yōu)先級任務(wù)釋放低優(yōu)先級任務(wù)釋放CPU使用權(quán)使用權(quán)TIME可剝奪型內(nèi)核（占先式 Preemptive)低優(yōu)先級任務(wù)低優(yōu)先級任務(wù)ISR高優(yōu)先級任務(wù)高優(yōu)先級任務(wù)（1）（2）（3）（4）（5）（6）中斷服務(wù)程序使中斷服務(wù)程序使高優(yōu)先級任務(wù)就緒高優(yōu)先級任務(wù)就緒高優(yōu)先級任務(wù)得到高優(yōu)先級任務(wù)得到CPU使用權(quán)使用權(quán)TIME嵌入式操作系統(tǒng)的特點1.可裁剪2.強實時性3.統(tǒng)一的接口4.操作方便、簡單、提供友好的圖形用戶界面GUI5.提供強大的網(wǎng)絡(luò)功能6.穩(wěn)定性，弱交互性7.固化

11、代碼8.良好的移植性VxWorksl VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS），具有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域牢牢占據(jù)著一席之地。l VxWorks所具有的顯著特點是：u可靠性、實時性和可裁減性。u它支持多種處理器，如x86、i960、Sun Sparc、Motorola MC68xxx、MIPS 、POWER PC等等。l 大多數(shù)的VxWorks API是專有的，火星機器人。目前市場上流行的嵌入式操作系統(tǒng)NucleuslNucleus實時操作系統(tǒng)是Accelerater T

12、echnology公司開發(fā)的嵌入式RTOS，產(chǎn)品只需一次性購買Licenses就可以獲得操作系統(tǒng)的源碼，并且免產(chǎn)品版稅。Nucleus的另一大好處是程序員不用寫B(tài)SP。lNucleus的特點是：l對CPU的支持能力比較強，支持當前流行的大多數(shù)RISC、CISC、DSP處理器。lNucleus PLUS采用了軟件組件的方法，每個組件具有單一而明確的目的。lNucleus PLUS除提供功能強大的內(nèi)核操作系統(tǒng)外，還提供種類豐富的功能模塊。lNucleus得到許多第三方工具廠商和方案提供商的支持。如ARM、Lauterbach、TI、Infineon、高通、IAR等。Windows CElMicro

13、soft Windows CE是從整體上為有限資源的平臺設(shè)計的多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)的操作系統(tǒng)。lWindows CE操作系統(tǒng)的基本核心需要至少200KB的ROM。它支持Win32 API的子集，支持多種的用戶界面硬件，同時提供熟悉的開發(fā)模式和工具。lWindows CE有5個主要的模塊：l內(nèi)核模塊、內(nèi)核系統(tǒng)接口模塊、文件系統(tǒng)模塊、圖形窗口和事件子系統(tǒng)模塊、通信模塊嵌入式Linuxl自由免費軟件Linux是一個類似于Unix的操作系統(tǒng)。l優(yōu)點：uLinux是由很多體積小且性能高的微內(nèi)核系統(tǒng)組成。uLinux支持所有標準的因特網(wǎng)協(xié)議。uLinux具備一整套工具鏈，容易自行建立嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)

14、環(huán)境和交叉運行環(huán)境，可以跨越嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中仿真工具的障礙。u傳統(tǒng)的嵌入式程序調(diào)試和調(diào)試工具是用在線仿真器（ICE）實現(xiàn)的。uLinux具有廣泛的硬件支持特性。l不足：u實時性是嵌入式操作系統(tǒng)的基本要求。uLinux內(nèi)核的所有部分都集中在一起，而且所有的部件在一起編譯連接。uLinux需要占用較多存儲器。u提供完整的集成開發(fā)環(huán)境是每一個嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員所期待的。QNXl加拿大加拿大QNXQNX公司的產(chǎn)品。公司的產(chǎn)品。lQNXQNX是在是在X86X86體系上面開發(fā)出來的，這和別的體系上面開發(fā)出來的，這和別的RTOSRTOS不一樣，別的好多不一樣，別的好多RTOSRTOS都是從都是從68K68K

15、的的CPUCPU上上面開發(fā)成熟，然后再移植到面開發(fā)成熟，然后再移植到X86X86體系上面來的。體系上面來的。lQNXQNX是一個實時的、可擴充的操作系統(tǒng)，它部分是一個實時的、可擴充的操作系統(tǒng)，它部分遵循遵循POSIXPOSIX相關(guān)標準，由于相關(guān)標準，由于QNXQNX具有強大的圖形具有強大的圖形界面功能，因此很適合作為機頂盒、手持設(shè)備界面功能，因此很適合作為機頂盒、手持設(shè)備（手掌電腦、手機）、（手掌電腦、手機）、GPSGPS設(shè)備的實時操作系統(tǒng)設(shè)備的實時操作系統(tǒng)使用。使用。 C/OS-C/OS- C/OS-是一種可移植、可固化、可裁剪及可剝奪的多任務(wù)實時內(nèi)核。 （第5章詳細介紹）嵌入式操作系統(tǒng)在我

16、國的應(yīng)用現(xiàn)狀 目前為止，中國嵌入式操作系統(tǒng)的主要客戶分布在電信、醫(yī)療、汽車、安全和消費類等行業(yè)，未來的嵌入式操作系統(tǒng)的主要增長動力來自消費類等行業(yè)。1.6 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計流程：1.需求分析2.體系結(jié)構(gòu)設(shè)計3.硬件的設(shè)計、制作及測試4.軟件的設(shè)計、實現(xiàn)及測試5.系統(tǒng)集成6.系統(tǒng)性能測試及可靠性測試系統(tǒng)需要分析系統(tǒng)需要分析規(guī)格說明書規(guī)格說明書體系結(jié)構(gòu)設(shè)計體系結(jié)構(gòu)設(shè)計硬件設(shè)計硬件設(shè)計軟件設(shè)計軟件設(shè)計硬件制作硬件制作軟件實現(xiàn)軟件實現(xiàn)硬件測試硬件測試軟件測試軟件測試系統(tǒng)集成系統(tǒng)集成系統(tǒng)測試系統(tǒng)測試符合符合 要求？要求？產(chǎn)品產(chǎn)品否否是是基于知識平臺的開發(fā)方法嵌入式系統(tǒng)的軟/硬件框架機械裝置機械裝置嵌入式嵌入式微處理器微處理器SDRAMSDRAMROMROMI/OI/OA/DA/DD/AD/A人機交互接口人機交互接口通用接口通用接口實時操作系統(tǒng)(實時操作系統(tǒng)(RTOS)RTOS)圖形用戶圖形用戶接口接口BSP/HAL 硬件抽象層/板極支持包BSP/HAL 硬件抽象層/板極支持包任務(wù)管理任務(wù)管理文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)應(yīng)用程序應(yīng)用程序嵌入式計算機系統(tǒng)嵌入式計算機系統(tǒng)傳感器1傳感器1傳感器2傳感器2傳感器N傳感器N.驅(qū)動器1驅(qū)動器1驅(qū)動器2驅(qū)動器2驅(qū)動器N驅(qū)動器N.硬件層硬件層軟件層軟件層中間層中間層功能層功能層被控對象被控對象開發(fā)平臺簡介開始新工程編輯源代碼交叉編譯連接仿真調(diào)試